Современные проблемы аэрофизики В. М. Фомин директор Института теоретической и прикладной механики СО РАН (ИТПМ СО РАН) 15 апреля 2003 г.

1.	Введение
2.	Аэродинамические установки ИТПМ
3.	Управление сопротивлением
4.	Управление сопротивлением с помощью лазера
5.	Прикладные исследования

Золкин А. С. — Сегодня очередная лекция «Современные проблемы аэрофизики». Гость лектория — член-корреспондент РАН, профессор Фомин Василий Михайлович — директор Института теоретической и прикладной механики (ИТПМ) СО РАН, зав. кафедрой ФФ НГУ «Аэрофизика и газовая динамика». На лекторий пришли заместитель директора института по науке, зам. заведующего кафедрой, профессор Маслов Анатолий Александрович и заместитель директора института по науке, зав. кафедрой общей физики ФФ НГУ, профессор Оришич Анатолий Митрофанович.

Нас интересует современная аэрофизика. Студенты спрашивают, зачем у некоторых самолетов крылья делают вперед? Как достичь высоких скоростей полета? И какие это скорости? Какую роль играют исследования в области физики плазмы и физики газового разряда и лазерного излучения в современной аэродинамике? Аэрофизика — это ведь не только аэродинамика, но и новые технологии. Какие технологии поддерживает аэрофизика? «Конкорд»  — это первый и последний сверхзвуковой самолет гражданской авиации или это направление будет развиваться? С другой стороны, нас интересуют исследования в ИТПМ СО РАН? Какие направления ведущие? Студентам второго курса скоро предстоит выбирать специализацию, работу своей жизни. Что в ИТПМ хорошего для молодых учёных? Какая поддержка оказывается студентам в институте?

Во-первых, я хотел бы вас поздравить с днем космонавтики, который был недавно и пригласить всех студентов в институт на экскурсию.

Прежде, чем рассказать про аэрофизику и газодинамику, хотелось бы договориться о том, что мое выступление будет продолжаться час, хотя я могу рассказывать и до утра, и в конце лекции будет время для вопросов.

Немного расскажу об институте. ИТПМ был создан в 1957 году в числе первых институтов Сибирского отделения (СО), вместе с Институтом математики и Институтом гидродинамики, потому что академик Сергей Алексеевич Христианович  — первый директор ИТПМ — был одним из организаторов СО. Вы знаете об этом, наверное. Он скончался совсем недавно, 2 года назад, не дожив чуть-чуть до 90 лет. Все институты СО создавались под конкретных лидеров науки. Такая была идеология — не просто создается институт, а потом набираются люди, а сначала выбирается ученый-лидер, потом создается институт, а затем этот лидер создает институт под себя. С. А. Христианович — выдающийся аэрогазодинамик. Какие работы принадлежат ему? Его работы заложили основу науки, которая позволила осуществить переход самолетов от звуковых скоростей полета к сверхзвуку. Идеология сверхзвуковых полетов закладывалась в трудах конца 40-х — начале 50-х годов академика Христиановича. Наш институт несколько несчастливый — у ИТПМ было много директоров, но за каждым директором оставались научные направления. Потом вам будет ясно, чем занимается институт. Отсюда вы можете представить, что было заложено. Например, были построены газодинамические трубы и развивались соответствующие направления исследования.

После С. А. Христиановича директором института стал академик Струминский Владимир Васильевич. Такую фамилию вы тоже, возможно, слышали. Он знаменит тем, что впервые не прошел по конкурсу института на следующий срок. Такое тоже в СО РАН случается. Редко, но бывает. Струминский исследовал гиперзвуковые течения. (По числу Маха где-то 3-5 и т. д. и развитие спутниковых систем.) Его труд был вложен в это направление и, конечно, этот кусок исследований тоже представлен в институте.

Следующий директор — член.-корр.РАН Солоухин Рем Иванович. Он же был два года ректором НГУ. Его вклад — физические методы исследования. При нем у нас начала развиваться газодинамика лазеров на CO₂.

После Солоухина директором института стал академик Николай Николаевич Яненко (мой учитель). Его работы связаны, в первую очередь, с атомными проблемами. Он приехал в Академгородок из Челябинска-70 (ныне Снежинск), к нам в институт принес вычислительную математическую культуру. Был создан прекрасный вычислительный центр, и эти традиции соответствующим образом мы стремимся поддерживать.

Как мы видим, все директора, руководившие институтом, внесли вклад в создание института — формирование научных направлений и школ, и я, как директор института, стараюсь их сохранить и помогаю им активно развиваться, учитывая уже современное состояние науки и техники.

В нашем институте существует три ведущих научных направления. Первое направление — математическое моделирование задач механики сплошных сред, второе — аэрогазодинамика и третье — физико-химическая газодинамика.

За годы перестройки мы уже прошли тот сложный момент, когда все жаловались. Мы уже не жалуемся, мы работаем. В институте было время, когда в штате числилось 800 — 850 сотрудников, потом сократилось до 450-500. Сейчас у нас около 600 человек, благодаря тому, что мы сами зарабатываем, хотя нам позволяется иметь 520. Это, чтобы вы видели динамику. Институт, так сказать, от спасения наших исследований перешел на расширение. Кроме фундаментальных проблем занимаемся чисто прикладными исследованиями, которые доводим до конца (я тоже об этом скажу), внедряем и продаем на заводы нашей страны и Запада.

Рассказывать о структуре нашего института, я думаю, смысла нет. Вам больше будет интересна эта простенькая прозрачка, где показано, с кем мы активно сотрудничаем (рис. 1).

	1. DLR 2. Фирма гиперзвуковых технологий Геттингена (HTG) 3. Аэродинамиче- ский интитут Аахенского университета (AIA) 4. Штутгардский университет 1. Дассо Авиасьон 2. Аэроспасиаль 3. INRIA 4. ONERA 1. Пекинский университет аэронавтики и астронавтики 2. Институт атмосферной физики АН КНР 3. CARDC С 1997 года ИТПМ СО РАИ является членом Международной ассоциации сверхзвуковых аэродинамических труб (STAI) 1. Рутгерский университет 2. Авиакомпания Боинг 3. Редстоунский арсенал 4. Лаборатория Райт- Паттерсона ВВС США 5. Европейский офис аэро- космических исследований и развития (EOARD) 6. AGARD
	Рис. 1. Международные связи Института

За счет чего наш институт выживал. Промышленность нашей страны, понятное дело, лежит на боку, взаимодействие с конструкторскими бюро пока очень сложные, хотя мы имеем определенные связи. ИТПМ входит в Европейское космическое агентство и работает с ним активно. Наши аэродинамические трубы входят в международную ассоциацию сверхзвуковых аэродинамических труб, т. е. все аэродинамические установки аттестованы, доказано, что поля потока очень хорошие, поэтому нам удается получать международные контракты на то, чтобы на этих трубах можно было проводить продувки.

Кроме этого есть хороший вычислительный центр, созданный в самом институте — это традиции академика Н. Н. Яненко. Понятно, что в свое время у нас была машина «Эльбрус», потом появились персоналки, но на таких машинах много не наработаешь. У нас есть многопроцессорная вычислительная машина МВС-1000. ИТПМ является узлом связи в Академгородке, что позволяет выходить на суперкомпьютерный центр СО РАН, а от него уже на большой вычислительный центр РАН в Москве. Здесь у нас 16 процессоров, но количество процессоров можно еще увеличить. Есть также несколько кластеров, созданных в лабораториях. Мы имеем возможность рассчитывать задачи на многопроцессорных машинах — это уже своя культура программирования, немного другая, чем программирование на обычных ПК. Этому надо учиться. Если не хватает мощности нашей машины или мощности машин СО РАН, мы можем выходить на мощности Вычислительного центра Академии наук в Москве. Там число процессоров может быть до 1000. Пока еще не удалось на тысяче процессоров что-либо сосчитать — максимально загружены были где-то 400. Сразу приведу несколько примеров. Это знаменитая станция «Мир» (рис. 2).

	Рис. 2. Конфигурация станции «Мир», обеспечивающая минимальные моменты

Мы участвовали в расчетах аэродинамических характеристик такого сложного объекта как эта станция (рис. 3).

	Рис. 3. Расчеты аэродинамических характеристик космической станции «Мир» на орбитальной стадии полета и вдоль траектории спуска. На основе разработанных программных систем для высотной аэродинамики выполнены многопараметрические расчеты аэродинамических характеристик космической станции «Мир» и предложен ряд конфигураций станции (положения солнечных батарей), обладающих малыми возмущающими моментами и большим аэродинамическим сопротивлением. Полученные результаты по аэродинамике станции «Мир» в диапазоне высот от 350 до 120 км использовались в РКК «Энергия» для разработки сценария контролируемого спуска станции «Мир» с орбиты и ее последующего затопления

Некоторые говорят, что станцию утопили, но я этого слова не признаю — говорю, что была сделана посадка на воду. Мы должны были показать, как располагать тормозные экраны, чтобы станция "Мир" просто плавно спустилась, а не прыгала по своей траектории (потому что она при спуске должна была потихоньку разваливаться) и не упала кому-нибудь на голову. Параллельно расчеты проводились и в ЦНИИМАШ. Наши расчеты совпали. Только после этого траекторию закладывали уже в жизнь. Вы наверное видели, как года два назад (если мне не изменяет память) была проведена удачная посадка на воду. Это один из таких примеров практического использования нашей вычислительной техники.

В настоящее время проводится целая серия расчетов по поведению этих космических аппаратов до разрушения. Я просто приведу несколько примеров. Вот спутник, имеющий форму затупленного конуса.

	Рис. 4. Влияние физико-химических процессов на поступательную температуру (85 км). Атмосфера N2, O2, NO, O, N

На рис. 4 показана картина трехмерного обтекания таких сложных тел, и с химическими неравновесностями, т. е. надо уметь считать уравнение Больцмана со всей химией. После этого получаются аэродинамические характеристики C_x и C_y и температурные распределения в аппарате, и что дальше с этими аппаратами будет. Самое интересное в том, что этот аппарат (если необходимо) нужно посадить в определенном месте, или наоборот приподнять его в зависимости от того, какая стоит задача. Весь этот процесс существенно зависит от аэродинамических характеристик, а мы умеем их вычислять.

Вот более сложный аппарат (рис. 5). Здесь много разных форм.

	Рис. 5. Высотная аэротермодинамика космических аппаратов. Метод прямого статистического моделирования — DSMC

Он сначала спрятан, потом открывается и т. д.

	Рис. 6. Метод прямого статистического моделирования — DSMC

На рис. 6 дано распределение температуры. Такие задачки уникальны и их не бывает много.

— Какой порядок температуры?

Здесь, во-первых, учитывается действие солнечного давления. Аппарат все время спускается по своей траектории. Если он находится вне атмосферы, это температура 300—400 градусов, а в атмосфере до 10000—15000 градусов. Этот аппарат разваливается при своем спуске, и вот здесь показано, во что он превратится (рис. 7).

	Рис. 7. Моделирование разрушения конструкции в атмосфере Земли при неуправляемом падении в случае аварии при запуске. * — означает полное расплавление обломка

Кстати, вы знаете, что существует большая проблема, связанная с тем, что на орбите вращается очень много, так называемого, технологического мусора. И мы, и американцы запускали аппараты с ядерным горючим, которые сейчас не работают. Источники энергии были ядерные. Сейчас используют солнечные батареи. Не приведи господи, если эти спутники упадут нам на голову, не понятно, какое будет заражение. Человечество само породило такую проблему: нужны были спутники, нужно было смотреть телевизор, шпионить друг за другом и т.д. Вы знаете, что раз в месяц запускается спутник. Скоро они будут стоять друг за другом на геостационарных орбитах, и у каждого будет определенное место, а потом их надо будет оттуда снимать, пока это делать еще никто не умеет. Отработанные спутники там вращаются, как грязь. Таким образом, мы имеем техногенный мусор. Что дальше с ним делать? Расчеты, как я уже говорил, это решение уравнения Больцмана во всей его красе, плюс химические реакции, методы разрушения по температуре, критерий разрушения и другие физические процессы, которые необходимо учитывать. Это круг задач, который надо решать.